WO2013182301A1 - Procede et thermoreacteur de propulsion mono-valve a injection et combustion multiples par cycle de rotation - Google Patents

Procede et thermoreacteur de propulsion mono-valve a injection et combustion multiples par cycle de rotation Download PDF

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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a single-valve propulsion process with multiple injection and multiple combustion cycles, particularly in jet engines used in the aeronautical field, and more particularly, the reactors operating according to the thermodynamic cycle of the invention. Humphrey, by constant-volume combustion of a mixture of compressed air and fuel.
  • the invention also relates to a so-called thermoreactor engine operating according to this method.
  • the qualifier "multiple” means "at least three”.
  • the invention can also be applied to any type of internal combustion engine pulsed type thermodynamic cycle, for example motor vehicle engines, whether at constant pressure or volume in the combustion chamber.
  • the main advantage of the Humphrey cycle is to use more efficiently the energy that can provide the fuel by achieving a constant volume combustion followed by a total relaxation of the burnt gases thus producing level kinetic energy Student.
  • the reactor will produce power by driving a turbine or directly from the thrust.
  • the reactors producing a constant volume combustion also called “thermoreactors”, then offer decisive advantages over turbomachines operating with constant pressure combustion, particularly in terms of compactness -which allows them to be housed in the wings of a aircraft - in terms of mass, thrust and thermodynamic efficiency (with consumption gains greater than 10%).
  • each thermoreactor comprises at least one compressor, at least one nozzle, and a combustion chamber connected to the compressor. and to the nozzle by two sets of valves, respectively injection and ejection.
  • Each combustion cycle is conventionally composed of three phases: a phase of admission or injection of a preformed mixture of compressed air and fuel, a combustion phase proper of this gas mixture by a controlled ignition, and a relaxation phase with exhaust gas ejection.
  • the thermoreactors operate in parallel and each thermoreactor is out of phase so that, during the same combustion cycle, the thermoreactors cover all the phases of this cycle.
  • valves are rotated by appropriate electric motors synchronously so that when a premix of fresh gas is introduced into the combustion chamber via a neck formed between two injection valves (phase d). intake), the two ejection valves close the gas outlet. Similarly, after combustion of the mixture, the injection valves close the inlet to the combustion chamber and the ejection valves form a gas outlet neck during the expansion of the flue gases (ejection phase). .
  • valves have appropriate cylindrical shapes elongate or oblong outer section and are positioned so that, during their coordinated rotation, they can form successively open connection necks and closed twice per rotary cycle. In other words, each cycle of rotation of a set of valves covers two combustion cycles.
  • thermoreactor is also of particular interest if it was possible to miniaturize it. Indeed, a reduction in dimensions and therefore The volume of such thermoreactors induces a reduction in their mass and their bulk. Therefore, applications in the space field are possible as well as in other areas (reduced models, new fuel experiment, etc.). However, a miniaturization rate of the order of 5 to 10 - allowing for example to change from a combustion chamber volume of a liter to 100 or 200 cm3 - decreases the power of propulsion provided by the thermoreactor, everything else equal.
  • the injection speed of the valves must be substantially increased, which causes significant problems of valve stability and sealing between these valves and the combustion chamber housing, while the speed of the valves ejection of the afterburning gases - which is only a function of pressure and temperature conditions - remains substantially constant.
  • the invention aims to overcome these problems by providing for the implementation of a single injection valve of particular conformation to achieve several fuel injections and combustions per cycle of rotation of these valves.
  • the subject of the present invention is a single-valve propulsion process with multiple injection and multiple combustion cycles, comprising, by combustion cycle, a phase for admitting fresh gases that have been premixed at the inlet of the combustion chamber. a combustion chamber, a combustion phase proper of these gases in the body of the combustion chamber, and a flue gas expansion phase at the ejection outlet of this combustion chamber.
  • at least three combustion cycles are performed per complete rotation cycle of multiple conformations able to form accesses for the admission of the fresh gas mixture into the combustion chamber for a predetermined period.
  • These injection conformations succeed each other regularly with each combustion cycle by rotation around a single transverse axis.
  • Each of these conformations injects substantially the same amount of premix of fresh gas into the combustion chamber, this amount being determined by the geometry and rotational speed of the conformations so that establish in the combustion chamber an optimal pressure. Such optimal pressure maximizes the performance of the turbomachine.
  • a storage preferably integrated in the combustion chamber is carried out by sampling high-pressure and high-temperature burnt gases and, after the admission of new fresh gases from the following combustion cycle, the hot gases high pressure sampled from the previous combustion cycle mix with the low pressure fresh gas by reinjection into the combustion chamber caused by pressure difference and trigger the ignition of the fresh gases;
  • the collection of burnt gases is carried out via the conformations during time intervals when these conformations are turned towards the interior of the combustion chamber;
  • the storage is common to at least two sampling and then reinjection operations carried out simultaneously in the combustion chamber; a fuel injection is integrated into a flow of compressed air upstream of the combustion chamber to form the premix of fresh gas introduced into the combustion chamber during the intake phase of each combustion cycle, the fuel being injected into the air flow via rotating lights which periodically and channelally open into said flow in synchronization with the duration of the admission phase;
  • one of the multiple ejection conformations form an access for the evacuation of the combustion chamber flue gas, ejection conformations succeeding each other regularly by rotation about at least one single transverse axis to form the evacuation accesses for the same duration as the formation of the admission ports by the injection conformations;
  • a cooling of the burned gases is effected by heat exchange as close as possible to the ejection conformations
  • the pre-mixing conformations of fresh gas in the combustion chamber and the flue gas evacuation conformations are synchronized so that no fuel is injected into the air flow nor any admission access to the combustion chamber is formed during the combustion phase, and in which the phases of admission and ejection of gas in the combustion chamber have a period of recovery during which the fresh gases entering the combustion chamber through the inlet ports discharge the remaining burned gases from the previous combustion cycle through the exhaust ports.
  • thermoreactor capable of implementing the above method.
  • a thermoreactor comprises a generally parallelepipedal casing with upper and lower walls successively forming, from upstream to downstream, a compressed air flow inlet sleeve, a combustion chamber and a gas discharge nozzle.
  • This thermoreactor also comprises a single fresh gas injection valve in the combustion chamber and at least one exhaust gas discharge valve extending around transverse axes for respectively separating the sleeve from the combustion chamber and the chamber. of combustion of the nozzle.
  • the valves are cylindrical and have multiple circular section faces regularly distributed and separated by cut sections forming, by rotation of the valves, access and discharge of gases of intervals periodically variable between a maximum opening and a total closure when the valves are driven in synchronized rotation by driving means around the transverse axes.
  • an integrated thermal ignition reservoir extends transversely in the combustion chamber close to the injection valve and is provided with channels with transverse openings arranged so as to allow gas to flow from the tank to the combustion chamber , and from the combustion chamber to the tank via the cut-off sections for periods of time preceding and completing the combustion of the fresh gases;
  • valves have at least three and at most four cut faces and circular faces;
  • each cut-off portion forms a generally concave recess with a groove base of selected shape between a flat face, a face with a single concave curvature, and a face with two concave curvatures joined by a convex curvature;
  • the parts of the injection valve extend over a width substantially equal to that of the cords of the circular faces, and the sides of the ejection valve extend over a width substantially greater than that of the cords of the circular faces;
  • a fuel injector is integrated into the compressed air flow inlet sleeve to form a premix of fresh gas to be introduced into the combustion chamber during the intake phase of each combustion cycle;
  • the injector comprises a transverse cylindrical injection body pierced by at least two transverse openings and a transverse envelope partially enclosing the cylindrical injection body and forming at least two channels opening through transverse slots in the sleeve; under these conditions, when the cylindrical injection body is driven in a rotational movement in synchronization with the rotation of the injection valve during the duration of the intake phases, the fuel is injected periodically in the air stream to form an air-fuel premix of fresh gas into the sleeve as the rotating lumens communicate with the channels and the inlet ports to the combustion chamber are formed;
  • the fuel injector is located near the injection valve so that the air-fuel premix of fresh gas is formed as close as possible to the admission ports to the combustion chamber while remaining compatible with the total vaporization time of the premix;
  • At least one flue gas cooling duct in which circulates a coolant, is located closer to the ejection valve; the cooling duct (s) is (are) chosen from an upstream shield located in the combustion chamber, an internal duct to the ejection valve centered on its axis of rotation and / or a shield downstream located in the exhaust gas nozzle;
  • a control unit synchronizes the drive speeds of the fuel injector and the intake and ejection valves so that the injection of fuel into the shaft is synchronized with the formation of the gas intake ports; cool by the injection valve in the combustion chamber, said valves rotating at the same speed so that the inlet and outlet ports are closed at the same time to achieve a constant volume combustion.
  • FIG. 1 a longitudinal sectional view of an example of a thermoreactor according to the invention comprising an injection valve with three recesses in the form of buckets and an ejection valve with three straight cut sides;
  • FIG. 2 is a partial longitudinal sectional view of the example of a thermoreactor according to FIG. 1 with a three-recess ejection valve;
  • FIG. 3a and 3b perspective views of the injection valve in connection with the integrated ignition reservoir, the injection valve and the ejection valve extracted from their environment;
  • FIG. 4 is a perspective view of the example of a thermoreactor according to FIG. 1 equipped with injection and ejection valves having asymmetric recesses;
  • FIGS. 6a to 6d diagrams in section of the example of the thermoreactor according to FIG. 1 according to the different phases that follow one another during a combustion cycle: admission of the fresh gases (FIG. 6a), ignition of these gases (FIG. 6b) ), end of combustion (Figure 6c), and exhaust gas (Figure 6d).
  • the qualifiers “upstream” and “downstream” relate generally to the direction of movement of the gas between their arrival and their evacuation.
  • the “upper” and “lower” qualifiers refer to the location of an element relative to the median plane of the thermoreactor in its standard-use configuration, and “internal” refers to the location of an element oriented on the this median plane.
  • the term “transverse” designates, in the median plane, a direction normal to the longitudinal axis of the thermoreactor.
  • thermoreactor 1 comprises a housing 20, of generally rectangular shape in section and parallelepiped in extension in space, with a top wall 20s and a bottom wall 20i.
  • the housing may have an elliptical contour to better distribute the mechanical loads.
  • Such a housing 20 has a median plane of symmetry Pm.
  • This casing 20 forms, from upstream to downstream in the direction of advance of the gases: an intake sleeve 2 of compressed air flow Fa upstream by a compressor (no shown), a fresh gas combustion chamber 4 and a flue gas discharge nozzle 6.
  • the air inlet sleeve 2, the combustion chamber 4 and the exhaust nozzle 6 are delimited by radial projections 10A to 10D located facing two by two substantially perpendicular to the median plane Pm.
  • the advances 10A and 10C on the one hand, 10B and 10D on the other hand are formed transversely and, respectively, on the inner faces 21s and 21i respectively of the upper 20s and lower walls 20i of the casing 20.
  • injection of the fresh gases 3 into the combustion chamber 4 and an exhaust valve 5 of the flue gas to the nozzle 6 extend transversely to separate, respectively, the sleeve 2 of the combustion chamber 4 and the combustion chamber 4 of the nozzle 6.
  • the valves 3 and 5 are cylindrical, of generally circular base, and extend transversely about axes of rotation X'X and ⁇ . These axes of rotation are located in the median plane Pm, and more particularly respectively in the combustion chamber 4 and in the evacuation nozzle 6.
  • Three circular faces are regularly distributed in the circumference of the valves 3 and 5, namely the circular faces 31, 33 and 35 for the injection valve 3, and the circular faces 51, 53 and 55 for the ejection valve 5.
  • the recesses 32, 34 and 36 of the injection valve 3 extend over a width substantially equal to that of the ropes of the circular faces 31, 33 and 35 to promote regular admission of fresh gases. in the combustion chamber 4.
  • the faces 52, 54 and 56 of the ejection valve 5 extend over a width substantially greater than that of the ropes of the circular faces 51, 53 and 55 to promote the evacuation of gases in the nozzle 6.
  • the recesses 32, 34 and 36 of the injection valve 3 have a generally convex groove bottom 3F, with two convex curves joined by a central concave curvature.
  • This configuration promotes a reliable conveyance of a given quantity of premix in the combustion chamber 4.
  • these cut-off faces 32, 34, 36, 52, 54, 56 will thus form inlet and outlet ports, respectively fresh gas and flue gas, by synchronous rotation of the transverse axes X'X and ⁇ of the valves 3 and 5.
  • thermoreactor 1 is also equipped with a fuel injector 7, an ignition reservoir 8 and cooling ducts 9 to 11.
  • the fuel injector 7 is integrated in the inflow inlet sleeve 2 of compressed air Fa to form a premix of fresh gas.
  • This injector 7 comprises a transverse cylindrical injection body 70 perforated by two transverse lumens 7a and 7b.
  • a transverse envelope 71 partially encloses the cylindrical body 70.
  • This envelope 71 is composed of a convex wall 71a and a concave wall 71b, these walls being turned upstream so that the concave wall 71b protrudes externally.
  • the circular envelope 3E (in dotted lines) of the injection valve 3.
  • the walls 71a and 71b form between them two channels 71c and 71d which originate on the injection body 70 and extend substantially radially from both sides of the injection body 70 relative to the median plane Pm.
  • the channels 71c and 71d have a width substantially equal to the width of the openings 7a and 7b of the body 70 and open through transverse injection slots 72c and 72d in the sleeve 2.
  • these slots fuel injection are located near the injection valve 3, so that the air-fuel premix is formed closer to the intake in the combustion chamber 4. The distance between the injector and access to the combustion chamber is determined so that complete vaporization of the premix can occur.
  • This tank 8 When the integrated thermal ignition tank 8, it also extends transversely close to the injection valve 3 but in the combustion chamber 4.
  • This tank 8 has two walls 8a and 8b having generally convex shapes -concave facing downstream. These walls 8a and 8b form channels 8c and 8d having, at their end, transverse openings 8e and 8f on the chamber 4. These openings are arranged closer to the injection valve 3 so as to promote the double circulation of the gas between the tank 8 and the combustion chamber 4 via the recesses 32, 34 and 36.
  • Cooling ducts at the discharge of hot gases from combustion are provided. In these cooling ducts, located closer to the ejection valve 5, circulates a heat transfer fluid which performs heat exchange.
  • One of these cooling ducts is in the form of an upstream shield 9, located in the combustion chamber 4. This shield 9 has a structure composed of two transverse walls 9a and 9b joined at their ends, with oriented curvatures upstream respectively convex / concave.
  • the concave wall 9b extends as close as possible to the circular envelope 5E (in dashed lines) of the ejection valve 5.
  • Another shield 10, that one downstream of the valve of FIG. ejection 5, is integrated in the exhaust nozzle 6. It is also formed as two walls 10a and 10b, curvatures oriented downstream, respectively concave and convex.
  • the concave wall 10a extends as close as possible to the circular envelope 5E of the ejection valve 5.
  • the duct 11, internal to the ejection valve 5 and centered on its axis of rotation ⁇ , also serves as a cooling duct to the afterburner gas by circulating a suitable heat transfer fluid in the duct 11.
  • a control unit 100 synchronizes the rotational speeds of the fuel injector 7 and the injection valves 3 and the ejection valve 5 so that the fuel injection is controlled by the injection valve 3.
  • valves 3 and 5 are controlled by the unit 100 to have the same speed of rotation to close the accesses of the combustion chamber 4 for a predetermined period to achieve, during this period, a constant volume combustion.
  • thermoreactor 1 An ejection valve variant of the example of thermoreactor 1 is illustrated by the partial sectional view of FIG. 2.
  • an ejection valve 5 'with recesses 52', 54 'and 56 ' replaces the ejection valve of Figure 1 with cut sides formed of planar faces 52, 54 and 56.
  • the ejection valve 5' takes the profile of the generally convex recesses 32, 34 and 36 of the injection valve 3 of Figure 1.
  • the recesses 52 ', 54' and 56 ' extend over a width substantially greater than that of the ropes of the circular faces 51, 53 and 55, twice as high in the example shown.
  • the presence of recesses makes it possible to substantially increase the rate of ejection of the flue gases from the combustion chamber 4 into the nozzle 6.
  • Figure 3b shows more precisely, at the end of the valves 3 and 5, drive pulleys 30 and 50 which receive a belt 12 adapted to ensure synchronization between the two valves 3 and 5.
  • the injection valve 3 is rotated by a gear train in connection with the shaft of an electric motor (not shown).
  • the assembly pulleys - belt - gear train is driving means 200 driven by the unit 100.
  • thermoreactors 3 'and ejection valves 5' respectively having recesses 32 ', 34', 36 'and 52 ", 54" and 56 "of asymmetrical shape.
  • thermoreactor l 'of Figure 4 is that shown in Figure 1 and 2 with the same housing 20 20s and 20i walls, the same injector 7 and the same cooling ducts 9 to 11.
  • the sleeve portions 2 of Airflow F, combustion chamber 4 fresh gas G1 and exhaust gas exhaust nozzle 6 G2 are also substantially identical.
  • the thermoreactor differs by the thermal ignition reservoir 8 'which has two compartments 80a and 80b symmetrically separated by a partition 81 parallel to the median plane Pm. Such partitioning allows a more homogeneous distribution of the hot gases G2 to be stored. It also differs in the configuration of the recesses 32 ',
  • the recesses 32 ', 34' and 36 'of the injection valve 3' are single-concave and the recesses 52 ", 54" and 56 "of the ejection valve 5" are convexly curved alternatively. concave.
  • the recesses of the injection valve are double curved and those of the ejection valve with a single concave curvature.
  • the tubs no longer have a plane of symmetry: the throat fund 3F 'and 5F' are shifted to the circular faces 33, 35, 31, 53, 55 and 51 which follow the respective recesses 32 ', 34', 36 ', 52 ", 54" and 56 "in the direction of rotation of the 3 'and 5' valves (according to the arrows R1 and R2) Under these conditions, the recovery of fresh gas G1 by the injection valve 3 'and flue gas G2 by the ejection valve is optimized by taking According to another embodiment, the cross-sectional view of FIG. 5 illustrates an alternative valve 15, which may be an injection or ejection valve, with four circular faces.
  • FIGS. 6a to 6d illustrate, in the example of thermoreactor 1 according to FIG. 1, the successive stages of fuel injection with the admission of fresh gas.
  • FIG. 6a pre-mixed
  • FIG. 6b ignition of these gases to generate the start of their combustion
  • FIG. 6c fine combustion with storage of hot gases
  • FIG. 6d evacuation of the flue gases
  • the lights 7a and 7b of the injection body 70 synchronously rotated with the injection valve 3, come into communication with the channels 71c and 71
  • the fuel from the center of the injection body 70 then passes through the lights 7a and 7b to flow into the channels 71c and 71d.
  • An air-fuel pre-mixture of fresh gas G1 is formed by fuel injection (arrows F1) in the compressed air inlet sleeve 2 (arrows Fa). To do this, the fuel comes out of the canals 71c and 71d via the slots 72c and 72d ( Figure 1) to mix with the air in fine droplets.
  • the valves 3 and 5 are in the access position to the combustion chamber 4 to allow the admission of the premix G 1 and the flue gas discharge G2.
  • the premix G1 enters the combustion chamber 4 via access A1, formed between the ends of the radial separation walls 10A and 10B and the recesses 32 and 36 of the injection valve 3.
  • the fresh gas G1 hunt the remaining G2 flue gases from the previous combustion cycle.
  • the remaining flue gases G2 are thus discharged from the combustion chamber 4 through ports A2 to the nozzle 6, which remain formed between the ends of the radial separation walls 10C and 10D and the cut-off panels 52 and 56 of the ejection valve. 5.
  • the radial heights of the accesses A1 and A2 vary during the admission of the fresh gases G1 and the evacuation of the flared gases G2 between maximum opening and total closure during the phases of admission (figure 6a) and evacuation ( Figures 6a and 6d).
  • valves 3 and 5 then isolates the combustion chamber 4 of the air sleeve 2 and the nozzle 6 ( Figure 6b).
  • two circular faces of these valves respectively 31, 35 and 51, 55, are then in contact with the ends of the radial projections 10A, 10B for the injection valve 3 and 10C, 10D for the ejection valve 5.
  • the body 70 of the injector 7 driven in synchronous rotation closes the channels 71c and 71d: the fuel injection is cut off. A1 and A2 access are closed
  • valves 3 and 5 - still in synchronous rotation - continue to isolate the combustion chamber 4 to achieve constant volume combustion (access A1 and A2 remain closed).
  • access A1 and A2 remain closed.
  • a portion of the G2 flue gases comes fill the ignition reservoir 8 because of the depression in this reservoir relative to the pressure of the rest of the combustion chamber 4.
  • the faces 51 and 55 of the ejection valve 5 are spaced from the end of the respective walls 10C and 10D, and A2 accesses of the combustion chamber 4 to the nozzle 6 are open.
  • the ejection valve 5 thus allows the evacuation of the flue gas G2 to the nozzle 6.
  • the injection valve 3 just starts to open the access A1 between the sleeve 2 and the combustion chamber 4.
  • the injection of new gases Fresh G1 after formation of an air-fuel premix will then be performed when the injection body 70 and the injection valve 3 will continue to rotate according to the process explained above with reference to Figure 6a.
  • the combustion cycle of Figures 6a to 6d is repeated three times per complete cycle of rotation of each cutaway 32, 34 and 36 of the injection valve 3 or 52, 54 and 56 of the ejection valve 5 , or alternatively by rotation cycle of the fuel injection body 70.
  • the same quantity of fresh gas premix G1 is introduced into the combustion chamber 4, this quantity being predetermined according to the geometry and the speed of rotation of the valves so as to fill the combustion chamber under pressure conditions capable of causing complete combustion of the gases.
  • the invention is not limited to the embodiments described and shown. It is possible, for example, to provide for the integration of the thermal igniter into the combustion chambers of any type of heat engine.
  • the fuel injector can also be provided to supply any type of engine.
  • the separation architecture of the different compartments of the housing is not limited to radial advances: this separation can be achieved by advances formed on the valves or by the valves themselves.
  • the cut edges of the valves may be of variable width and the recesses formed may be of any type of profile adapted to the function. It is also possible to implant the thermal ignition tank out of the combustion chamber, for example by providing a tank-chamber connection conduit.
  • it is possible to mount more than one ejection valve for example two ejection valves of parallel axes in the same plane perpendicular to the median plane, operating in contra-rotation.

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Abstract

L'invention vise à augmenter la vitesse d'injection des valves d'injection dans un moteur à combustion interne en prévoyant la mise en œuvre d'une seule valve d'injection de conformation particulière permettant de réaliser plusieurs injections de carburant et combustions par cycle de rotation de ces valves.Un thermoréacteur de propulsion mono-valve (1') selon l'invention comporte un carter (20) à parois supérieur (20s) et inférieure (20i) formant successivement un manchon d'arrivée (2) de flux d'air comprimé (Fa), une chambre de combustion (4) et une tuyère d'évacuation de gaz (6). Il comporte également une unique valve d'injection (3') de gaz frais (G1) dans la chambre de combustion (4) et au moins une valve d'éjection (5") des gaz brûlés (G2) s'étendant autour d'axes transversaux (X'X, Y'Y). Les valves (3', 5") sont cylindriques et présentent de multiples faces de section circulaire (31, 33, 35; 51, 53, 55) séparées par des pans coupés (32', 34', 36'; 52", 54", 56") formant, par rotation (R1, R2) des valves (3', 5"), des accès d'admission (A1) et d'évacuation (A2) des gaz (G1, G2). Un réservoir d'allumage thermique (8; 80a, 80b, 81) peut être intégré à la chambre de combustion (4).

Description

PROCEDE ET THERMOREACTEUR DE PROPULSION MONO-VALVE A INJECTION ET COMBUSTION MULTIPLES PAR CYCLE DE ROTATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention concerne un procédé de propulsion mono-valve à injection et combustion multiples par cycle de rotation, en particulier dans les moteurs à réaction utilisés dans le domaine aéronautique, et plus particulièrement encore, les réacteurs fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Humphrey, par combustion à volume constant d'un mélange d'air comprimé et de carburant. L'invention se rapporte également à un moteur dit thermoréacteur fonctionnant selon ce procédé. Dans le présent texte, le qualificatif « multiple » signifie « au moins égal à trois ».
[0002] L'invention peut également s'appliquer à tout type de moteur à combustion interne à cycle thermodynamique de type puisé, par exemple les moteurs de véhicules automobiles, que ce soit à pression ou à volume constant dans la chambre de combustion.
[0003] L'intérêt principal du cycle de Humphrey est d'utiliser plus efficacement l'énergie que peut fournir le carburant en réalisant une combustion à volume constant suivie d'une détente totale des gaz brûlés produisant ainsi de l'énergie cinétique de niveau élevé. Selon le type d'application, le réacteur produira de la puissance par l'entraînement d'une turbine ou bien directement de la poussée. Les réacteurs réalisant une combustion à volume constant, encore appelés « thermoréacteurs », offrent alors des avantages décisifs par rapport aux turbomachines fonctionnant selon une combustion à pression constante, notamment en termes de compacité -ce qui permet de les loger dans les ailes d'un aéronef - en termes de masse, de poussée et de rendement thermodynamique (avec des gains de consommations supérieurs à 10%). ETAT DE LA TECHNIQUE
[0004] La combustion dans les thermoréacteurs est de type puisée alors que celle dans les turbomachines actuelles à pression constante est continue. Des turbomachines à thermoréacteurs multiples sont décrites de manière plus détaillée par exemple dans le document de brevet FR 2 945 316. De manière générale, chaque thermoréacteur comporte au moins un compresseur, au moins une tuyère, ainsi qu'une chambre de combustion reliée au compresseur et à la tuyère par deux jeux de valves, respectivement d'injection et d'éjection.
[0005] Chaque cycle de combustion se compose classiquement de trois phases : une phase d'admission ou injection d'un mélange préformé d'air comprimé et de carburant, une phase de combustion proprement dite de ce mélange de gaz par un allumage commandé, et une phase de détente avec éjection des gaz brûlés. Les thermoréacteurs fonctionnent en parallèle et chaque thermoréacteur se trouve déphasé de sorte que, pendant un même cycle de combustion, les thermoréacteurs couvrent l'ensemble des phases de ce cycle.
[0006] Les valves sont entraînées en rotation par des moteurs électriques appropriés de manière synchronisée de sorte que, lorsqu'un pré-mélange de gaz frais est introduit dans la chambre de combustion via un col formé entre deux valves d'injection (phase d'admission), les deux valves d'éjection ferment la sortie des gaz. De manière analogue, après la combustion du mélange, les valves d'injection ferment l'admission à la chambre de combustion et les valves d'éjection forment un col de sortie des gaz lors de la détente des gaz brûlés (phase d'éjection).
[0007] Les valves ont des formes cylindriques appropriées à section externe allongée ou oblongue et sont positionnées pour que, au cours de leur rotation coordonnée, elles puissent former des cols de liaison successivement ouverts et fermés deux fois par cycle rotatif. En d'autres termes, chaque cycle de rotation d'un jeu de valves couvre deux cycles de combustion.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0008] Ce type de thermoréacteur présente aussi un intérêt particulier s'il était possible de le miniaturiser. En effet, une réduction des dimensions et donc du volume de tels thermoréacteurs induit une réduction de leur masse et de leur encombrement. Dès lors, des applications dans le domaine spatial sont envisageables ainsi que dans d'autres domaines (modèles réduits, expérimentation nouveau carburant, etc.). [0009] Cependant un taux de miniaturisation de l'ordre de 5 à 10 - permettant par exemple de passer d'un volume chambre de combustion d'un litre à 100 ou 200 cm3 - diminue d'autant la puissance de propulsion fournie par le thermoréacteur, toute chose égale par ailleurs. Si la puissance doit être maintenue, la vitesse d'injection des valves doit être sensiblement augmentée, ce qui entraîne des problèmes importants de stabilité des valves et d'étanchéité entre ces valves et le carter de la chambre de combustion, alors que la vitesse d'éjection des gaz de postcombustion - qui n'est fonction que des conditions de pression et de température - reste sensiblement constante. L'invention vise à palier ces problèmes en prévoyant la mise en œuvre d'une seule valve d'injection de conformation particulière permettant de réaliser plusieurs injections de carburant et combustions par cycle de rotation de ces valves.
[0010] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de propulsion mono-valve à injection et combustion multiples par cycle de rotation comportant, par cycle de combustion, une phase d'admission de gaz frais pré- mélangés en entrée d'une chambre de combustion, une phase de combustion proprement dite de ces gaz dans le corps de la chambre de combustion, et une phase de détente des gaz brûlés en sortie d'éjection de cette chambre de combustion. Dans ce procédé, au moins trois cycles de combustion sont réalisés par cycle de rotation complet de conformations multiples aptes à former des accès pour l'admission du mélange de gaz frais dans la chambre de combustion pendant une durée déterminée. Ces conformations d'injection se succèdent régulièrement à chaque cycle de combustion par rotation autour d'un unique axe transversal. Chacune de ces conformations injecte sensiblement une même quantité de prémélange de gaz frais dans la chambre de combustion, cette quantité étant déterminée par la géométrie et la vitesse de rotation des conformations de sorte à établir dans la chambre de combustion une pression optimale. Une telle pression optimale maximalise les performances de la turbomachine.
[0011] Selon des mode de réalisation préférés :
- en fin de chaque cycle de combustion, un stockage de préférence intégré dans la chambre de combustion est effectué par prélèvement de gaz brûlés à haute pression et haute température puis, après admission de nouveaux gaz frais provenant du cycle de combustion suivant, les gaz chauds haute pression prélevés au cycle de combustion précédent se mélangent aux gaz frais basse pression par réinjection dans la chambre de combustion provoquée par différence de pressions et déclenchent l'allumage des gaz frais;
- le prélèvement de gaz brûlés est opéré via les conformations pendant des intervalles de temps où ces conformations sont tournées vers l'intérieur de la chambre de combustion;
- le prélèvement et la réinjection des gaz prélevés sont réalisés par deux opérations semblables selon des déplacements de gaz circulant en sens inverse;
- le stockage est commun à au moins deux opérations de prélèvement puis de réinjection effectuées simultanément dans la chambre de combustion; - une injection de carburant est intégrée à un flux d'air comprimé en amont de la chambre de combustion pour former le pré-mélange de gaz frais introduit dans la chambre de combustion pendant la phase d'admission de chaque cycle de combustion, le carburant étant injecté dans le flux d'air via des lumières en rotation qui débouchent périodiquement et de manière canalisée dans ledit flux en synchronisation avec la durée de la phase d'admission ;
- lors de la phase d'évacuation des gaz brûlés de chaque cycle de combustion qui suit la phase de combustion proprement dite, l'une de multiples conformations d'éjection forment un accès pour l'évacuation des gaz brûlés de la chambre de combustion, les conformations d'éjection se succédant régulièrement par rotation autour d'au moins un axe transversal unique pour former les accès d'évacuation pendant une même durée que la formation des accès d'admission par les conformations d'injection;
- un refroidissement des gaz brûlés est opéré par échange thermique au plus près des conformations d'éjection ;
- les cycles de rotations des lumières d'injection du carburant dans le flux d'air, des conformations d'injection de pré-mélange de gaz frais dans la chambre de combustion et des conformations d'évacuation des gaz brûlés sont synchronisés de sorte qu'aucun carburant ne soit injecté dans le flux d'air ni aucun accès d'admission à la chambre de combustion ne se forme au cours de la phase de combustion, et dans lequel les phases d'admission et d'éjection de gaz dans la chambre de combustion possèdent une période de recouvrement pendant laquelle les gaz frais entrant dans la chambre de combustion par les accès d'admission évacuent les gaz brûlés restants du cycle de combustion précédent par les accès d'évacuation.
[0012] L'invention concerne également un thermoréacteur apte à mettre en œuvre le procédé ci-dessus. Un tel thermoréacteur comporte un carter globalement parallélépipédique à parois supérieur et inférieure formant successivement, d'amont en aval, un manchon d'arrivée de flux d'air comprimé, une chambre de combustion et une tuyère d'évacuation de gaz. Ce thermoréacteur comporte également une unique valve d'injection de gaz frais dans la chambre de combustion et au moins une valve d'éjection des gaz brûlés s'étendant autour d'axes transversaux pour séparer respectivement le manchon de la chambre de combustion et la chambre de combustion de la tuyère. Les valves sont cylindriques et présentent de multiples faces de section circulaire régulièrement réparties et séparées par des pans coupés formant, par rotation des valves, des accès d'admission et d'évacuation des gaz de hauteurs périodiquement variables entre une ouverture maximale et une fermeture totale lorsque les valves sont entraînées en rotation synchronisée par des moyens d'entraînement autour des axes transversaux.
[0013] Selon des modes de réalisation préférés : - un réservoir d'allumage thermique intégré s'étend transversalement dans la chambre de combustion à proximité de la valve d'injection et est muni de canaux à ouvertures transversales disposés de sorte à permettre à du gaz de circuler du réservoir à la chambre de combustion, et de la chambre de combustion au réservoir via les pans coupés pendant des intervalles de temps précédant et achevant la combustion des gaz frais;
- les valves présentent au moins trois et au plus quatre pans coupés et faces circulaires ;
- chaque pan coupé forme un évidement globalement concave avec un fond de gorge de forme choisie entre une face plane, une face à courbure concave unique, et une face à deux courbures concaves jointes par une courbure convexe ;
- lorsque les valves d'injection et d'éjection ont trois pans coupés régulièrement répartis entre trois faces circulaires, les axes de rotation de ces valves sont localisés dans la chambre de combustion et dans la tuyère d'évacuation;
- les pans de la valve d'injection s'étendent sur une largeur sensiblement égale à celle des cordes des faces circulaires, et les pans de la valve d'éjection s'étendent sur une largeur sensiblement supérieure à celle des cordes des faces circulaires ;
- un injecteur de carburant est intégré dans le manchon d'arrivée de flux d'air comprimé pour former un pré-mélange de gaz frais à introduire dans la chambre de combustion pendant la phase d'admission de chaque cycle de combustion ; l'injecteur comporte un corps cylindrique transversal d'injection ajouré par au moins deux lumières transversales ainsi qu'une enveloppe transversale enserrant partiellement le corps cylindrique d'injection et formant au moins deux canaux débouchant par des fentes transversales dans le manchon ; dans ces conditions, lorsque le corps cylindrique d'injection est animé d'un mouvement de rotation en synchronisation avec la rotation de la valve d'injection pendant la durée des phases d'admission, le carburant est injecté périodiquement dans le flux d'air pour former un pré-mélange air-carburant de gaz frais dans le manchon lorsque les lumières en rotation communiquent avec les canaux et que les accès d'admission à la chambre de combustion sont formés ;
- l'injecteur de carburant est localisé à proximité de la valve d'injection de sorte que le pré-mélange air- carburant de gaz frais se forme au plus près des accès d'admission à la chambre de combustion tout en restant compatible avec la durée de vaporisation complète du pré-mélange ;
- au moins un conduit de refroidissement des gaz brûlés, dans lequel circule un fluide caloporteur, est localisé au plus près de la valve d'éjection; - le(s) conduit(s) de refroidissement est (sont) choisi(s) parmi un bouclier amont localisé dans la chambre de combustion, un conduit interne à la valve d'éjection centré sur son axe de rotation et/ou un bouclier aval localisé dans la tuyère d'évacuation des gaz ;
- une unité de pilotage synchronise les vitesses d'entraînement de l'injecteur de carburant et des valves d'admission et d'éjection de sorte que l'injection de carburant dans le manche est synchronisé avec la formation des accès d'admission des gaz frais par la valve d'injection dans la chambre de combustion, lesdites valves tournant à la même vitesse de sorte que les accès d'admission et d'évacuation se ferment au même instant afin de réaliser une combustion à volume constant.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0014] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture d'exemples détaillés de réalisation non limitatifs ci-après, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1 , une vue en coupe longitudinale d'un exemple de thermoréacteur selon l'invention comportant une valve d'injection à trois évidements en forme de baquets et une valve d'éjection à trois pans coupés droits ; - la figure 2, une vue en coupe longitudinale partielle de l'exemple de thermoréacteur selon la figure 1 avec une valve d'éjection à trois évidements;
- les figures 3a et 3b, des vues en perspective de la valve d'injection en liaison avec le réservoir d'allumage intégré, de la valve d'injection et de la valve d'éjection extraites de leur environnement ;
- la figure 4, une vue en perspective de l'exemple de thermoréacteur selon la figure 1 équipé de valves d'injection et d'éjection présentant des évidements asymétriques ;
- la figure 5, une vue en coupe d'un exemple de valve d'injection ou d'éjection à quatre évidements ; et
- les figures 6a à 6d, des schémas en coupe de l'exemple de thermoréacteur selon la figure 1 selon les différentes phases qui se succèdent pendant un cycle de combustion : admission des gaz frais (figure 6a), allumage de ces gaz (figure 6b), de fin de combustion (figure 6c), puis d'évacuation des gaz brûlés (figure 6d).
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0015] Dans le présent texte, les qualificatifs « amont » et « aval » se rapportent globalement au sens de déplacement des gaz entre leur arrivée et leur évacuation. Les qualificatifs « supérieur » et « inférieur » se rapportent à la localisation d'un élément par rapport au plan médian du thermoréacteur dans sa configuration d'usage standard, et « interne » se rapporte à la localisation d'un élément orienté du côté de ce plan médian. Le terme « transversal » désigne, dans le plan médian, une direction normale à l'axe longitudinal du thermoréacteur.
[0016] En référence à la vue en coupe longitudinale de la figure 1 , un exemple de thermoréacteur 1 selon l'invention comporte un carter 20, de forme globalement rectangulaire en coupe et parallélépipédique en extension dans l'espace, avec une paroi supérieure 20s et une paroi inférieure 20i. En variante, le carter peut présenter un contour elliptique afin de mieux répartir les charges mécaniques. Un tel carter 20 possède un plan médian de symétrie Pm. Ce carter 20 forme, d'amont en aval selon le sens d'avancée des gaz : un manchon d'arrivée 2 de flux d'air comprimé Fa en amont par un compresseur (non représenté), une chambre de combustion de gaz frais 4 et une tuyère d'évacuation de gaz brûlés 6.
[0017] Le manchon d'arrivée d'air 2, la chambre de combustion 4 et la tuyère d'évacuation 6 sont délimitées par des avancées radiales 10A à 10D situées en regard deux par deux sensiblement perpendiculairement au plan médian Pm. Ainsi, les avancées 10A et 10C d'une part, 10B et 10D d'autre part, sont formées transversalement et, respectivement, sur les faces internes 21s et 21 i respectivement des parois supérieure 20s et inférieure 20i du carter 20. Une valve d'injection des gaz frais 3 dans la chambre de combustion 4 et une valve d'éjection 5 des gaz brûlés vers la tuyère 6 s'étendent transversalement pour séparer, respectivement, le manchon 2 de la chambre de combustion 4 et la chambre de combustion 4 de la tuyère 6. Les valves 3 et 5 sont cylindriques, de base globalement circulaire, et s'étendent transversalement autour d'axes de rotation X'X et ΥΎ. Ces axes de rotation sont localisés dans le plan médian Pm, et plus particulièrement respectivement dans la chambre de combustion 4 et dans la tuyère d'évacuation 6. Les avancées radiales en regard, 10A - 10B et 10C - 10D, viennent ainsi périodiquement en contact des valves 3 et 5 à chaque cycle de combustion, en formant respectivement des angles au centre 3A et 5A sensiblement égaux à 120°. [0018] Trois faces circulaires sont régulièrement réparties en circonférence des valves 3 et 5, à savoir les faces circulaires 31 , 33 et 35 pour la valve d'injection 3, et les faces circulaires 51 , 53 et 55 pour la valve d'éjection 5. Ces faces circulaires sont séparées, sur une partie principale de leur extension transversale, par des conformations à pans coupés formant des évidements 32, 34 et 36 pour la valve d'injection 3, et des faces planes 52, 54 et 56 pour la valve d'éjection 5. La présence d'évidements dans la valve d'injection 3 permet d'augmenter sensiblement le taux de remplissage en gaz de pré-mélange dans la chambre de combustion 4 par rapport à des pans coupés plans.
[0019] Plus particulièrement, les évidements 32, 34 et 36 de la valve d'injection 3 s'étendent sur une largeur sensiblement égale à celle des cordes des faces circulaires 31 , 33 et 35 pour favoriser une admission régulière des gaz frais dans la chambre de combustion 4. Et les faces 52, 54 et 56 de la valve d'éjection 5 s'étendent sur une largeur sensiblement supérieure à celle des cordes des faces circulaires 51 , 53 et 55 pour favoriser l'évacuation des gaz dans la tuyère 6.
[0020] Dans l'exemple illustré, les évidements 32, 34 et 36 de la valve d'injection 3 ont un fond de gorge 3F globalement convexe, avec à deux courbures convexes jointes par une courbure concave centrale. Cette configuration favorise un acheminement fiable d'une quantité de pré-mélange donnée dans la chambre de combustion 4. Comme expliqué ci-dessous (en référence aux figures 6a à 6d), ces pans coupés 32, 34, 36, 52, 54, 56, vont ainsi former des accès d'entrée et de sortie, respectivement de gaz frais et de gaz brûlés, par rotation synchrone des axes transversaux X'X et ΥΎ des valves 3 et 5.
[0021] Le thermoréacteur 1 est également équipé d'un injecteur de carburant 7, d'un réservoir d'allumage 8 et de conduits de refroidissements 9 à 11.
[0022] L'injecteur de carburant 7 est intégré dans le manchon d'arrivée 2 de flux d'air comprimé Fa pour former un pré-mélange de gaz frais. Cet injecteur 7 comporte un corps cylindrique transversal d'injection 70 ajouré par deux lumières transversales 7a et 7b. Une enveloppe transversale 71 enserre partiellement le corps cylindrique 70. Cette enveloppe 71 se compose d'une paroi convexe 71 a et d'une paroi concave 71 b, ces parois étant tournées vers l'amont de sorte que la paroi concave 71 b épouse extérieurement l'enveloppe circulaire 3E (en traits pointillés) de la valve d'injection 3. Les parois 71a et 71 b forment entre elles deux canaux 71c et 71 d qui prennent naissance sur le corps d'injection 70 et s'étendent sensiblement radialement de part et d'autre du corps d'injection 70 par rapport au plan médian Pm. [0023] A leur naissance, les canaux 71c et 71 d ont une largeur sensiblement égale à la largeur des lumières 7a et 7b du corps 70 et débouchent par des fentes transversales d'injection 72c et 72d dans le manchon 2. Avantageusement, ces fentes d'injection de carburant sont localisées à proximité de la valve d'injection 3, de sorte que le pré-mélange air-carburant se forme au plus près de l'admission dans la chambre de combustion 4. La distance entre l'injecteur et l'accès à la chambre de combustion est déterminée pour que la vaporisation complète du pré-mélange puisse se produire.
[0024] Quand au réservoir d'allumage thermique intégré 8, il s'étend également transversalement à proximité de la valve d'injection 3 mais dans la chambre de combustion 4. Ce réservoir 8 présente deux parois 8a et 8b ayant des formes globalement convexe-concave tournées vers l'aval. Ces parois 8a et 8b forment des canaux 8c et 8d présentant, en leur extrémité, des ouvertures transversales 8e et 8f sur la chambre 4. Ces ouvertures sont disposées au plus près de la valve d'injection 3 de sorte à favoriser la double circulation des gaz entre le réservoir 8 et la chambre de combustion 4 via les évidements 32, 34 et 36. Ces circulations se produisent pendant les intervalles de temps où les évidements 32, 34 et 36 sont sensiblement en regard des ouvertures transversales 8e et 8f du réservoir 8 (voir ci-après en référence aux figures 5b et 5c illustrant l'allumage et la fin de combustion des gaz d'un cycle de combustion). [0025] Des conduits de refroidissement au niveau de l'évacuation des gaz chauds issus de la combustion sont prévus. Dans ces conduits de refroidissement, localisés au plus près de la valve d'éjection 5, circulent un fluide caloporteur qui réalise des échanges thermiques. L'un de ces conduits de refroidissement se présente sous la forme d'un bouclier amont 9, localisé dans la chambre de combustion 4. Ce bouclier 9 a une structure composée de deux parois transversales 9a et 9b jointes à leurs extrémités, à courbures orientées vers l'amont respectivement convexe / concave. Dans ces conditions, la paroi concave 9b s'étend au plus près de l'enveloppe circulaire 5E (en traits pointillés) de la valve d'éjection 5. [0026] Un autre bouclier 10, celui-là en aval de la valve d'éjection 5, est intégré dans la tuyère d'évacuation 6. Il se présente également comme formé de deux parois 10a et 10b, à courbures orientées vers l'aval, respectivement concave et convexe. La paroi concave 10a s'étend au plus près de l'enveloppe circulaire 5E de la valve d'éjection 5. [0027] Avantageusement, le conduit 11 , interne à la valve d'éjection 5 et centré sur son axe de rotation ΥΎ, sert également de conduit de refroidissement aux gaz de postcombustion par circulation d'un fluide caloporteur approprié dans ce conduit 11. [0028] Une unité de pilotage 100 synchronise les vitesses de rotation de l'injecteur de carburant 7 et des valves d'injection 3 et d'éjection 5 de sorte que l'injection de carburant est commandée par la valve d'injection 3. Les valves 3 et 5 sont pilotées par l'unité 100 pour avoir la même vitesse de rotation afin de fermer les accès de la chambre de combustion 4 pendant une durée déterminée pour réaliser, pendant cette durée, une combustion à volume constant.
[0029] Une variante de valve d'éjection de l'exemple de thermoréacteur 1 est illustrée par la vue en coupe partielle de la figure 2. Sur cette vue, une valve d'éjection 5' à évidements 52', 54' et 56' remplace la valve d'éjection de la figure 1 à pans coupés formés de faces planes 52, 54 et 56. La valve d'éjection 5' reprend le profilé des évidements globalement convexes 32, 34 et 36 de la valve d'injection 3 de figure 1. Les évidements 52', 54' et 56' s'étendent sur une largeur sensiblement supérieure à celle des cordes des faces circulaires 51 , 53 et 55, deux fois supérieure dans l'exemple illustré. La présence d'évidements permet d'augmenter sensiblement le taux d'éjection des gaz brûlés de la chambre de combustion 4 dans la tuyère 6.
[0030] Sur les vues en perspective des figures 3a et 3b, sont illustrées les extensions transversales des valves d'injection 3 et d'éjection 5 parallèlement aux axes X'X et ΥΎ dans le plan médian Pm - entre les parois 20s et 20i du carter 20 -, ainsi que celle du réservoir d'allumage intégré 8. Il apparaît en particulier que la paroi concave 8a du réservoir 8 épouse la face circulaire externe 31 de la valve d'injection 3 et donc - au cours du temps - de toutes les faces circulaires 31 , 33 et 35 de la valve 3 soit, en d'autres termes, l'enveloppe circulaire 3E de ladite valve 3. De plus, les évidements 32, 34 et 36 apparaissent en perspective comme formant des baquets avec un fond légèrement bombé. [0031] La figure 3b montre plus précisément, en extrémité des valves 3 et 5, des poulies d'entraînement 30 et 50 qui reçoivent une courroie 12 apte à assurer la synchronisation entre les deux valves 3 et 5. La valve d'injection 3 est entraînée en rotation par un train d'engrenages en liaison avec l'arbre d'un moteur électrique (non représenté). L'ensemble poulies - courroie - train d'engrenage constitue des moyens d'entraînement 200 pilotés par l'unité 100.
[0032] En référence à la figure 4, une vue en perspective de l'exemple de thermoréacteur selon les figures 1 et 2 est illustrée avec, en variante, des valves d'injection 3' et d'éjection 5" présentant respectivement des évidements 32', 34', 36' et 52", 54" et 56" de forme asymétrique.
[0033] Le thermoréacteur l' de la figure 4 est celui présenté en figure 1 et 2 avec le même carter 20 de parois 20s et 20i, le même injecteur 7 et les mêmes conduits de refroidissement 9 à 11. Les parties de manchon 2 de flux d'air Fa, de chambre de combustion 4 des gaz frais G1 et de tuyère 6 d'évacuation des gaz brûlés G2 sont également sensiblement identiques. Le thermoréacteur en diffère par le réservoir d'allumage thermique 8' qui possède deux compartiments 80a et 80b séparés symétriquement par une cloison 81 parallèle au plan médian Pm. Un tel cloisonnement permet une répartition plus homogène des gaz chauds G2 à stocker. [0034] Il en diffère également par la configuration des évidements 32',
34', 36' et 52", 54" et 56" des valves d'injection 3' et d'éjection 5", en forme de baquet à courbure globalement concave. Plus particulièrement, les évidements 32', 34' et 36' de la valve d'injection 3' sont à concave unique et les évidements 52", 54" et 56" de la valve d'éjection 5" sont à courbure alternée convexe/concave. Dans d'autres exemples de réalisation, les évidements de la valve d'injection sont à courbure double et ceux de la valve d'éjection à courbure concave unique.
[0035] Contrairement aux représentations des figures 1 et 2, les baquets ne présentent plus de plan de symétrie : les fonds de gorge 3F' et 5F' sont décalée vers les faces circulaires 33, 35, 31 , 53, 55 et 51 qui suivent les évidements respectifs 32', 34', 36', 52", 54" et 56" dans le sens de rotation des valves 3' et 5" (selon les flèches R1 et R2). Dans ces conditions, la récupération de gaz frais G1 par la valve d'injection 3' et de gaz brûlés G2 par la valve d'éjection est optimisée par la prise en compte de la cinématique de rotation des valves. [0036] Selon un autre mode de réalisation, la vue en coupe de la figure 5 illustre une valve alternative 15, qui peut être une valve d'injection ou d'éjection, à quatre faces circulaires 15a, 15c, 15e et 15g réparties entre quatre pans coupés 15b, 15d, 15f et 15h. Les pans coupés se présentent sous forme d'évidements convexes. Des conteneurs C1 et C2, localisées en amont et en aval de la valve 15, épousent l'enveloppe circulaire 15E (en traits pointillés) de la valve 15. Ces conteneurs à courbure concave-convexe représentent respectivement un injecteur de carburant et un réservoir d'allumage intégré dans le cas où la valve 15 est une valve d'injection. Ces conteneurs C1 et C2 représentent des conduits de refroidissement dans le cas où la valve 15 est utilisée comme valve d'éjection. [0037] Afin de décrire un cycle de combustion complet, les schémas en coupe des figures 6a à 6d illustrent, dans l'exemple de thermoréacteur 1 selon la figure 1 , les phases successives d'injection de carburant avec l'admission de gaz frais pré-mélangés (figure 6a), d'allumage de ces gaz pour générer le début de leur combustion (figure 6b), de fin combustion avec stockage de gaz chauds (figures 6c), ainsi que d'évacuation des gaz brûlés (figure 6d). Les schémas illustrés sont des photographies fixant des instants au cours des différentes phases évoquées, phases qui se succèdent périodiquement avec la rotation synchrone (flèches R1 et R2) des valves d'injection et d'éjection, 3 et 5, et du corps cylindrique d'injection 70 de l 'injecteur 7. [0038] En référence à la figure 6a, les lumières 7a et 7b du corps d'injection 70 en rotation synchrone avec la valve d'injection 3, arrivent en communication avec les canaux 71c et 71 d de l'injecteur 7. Le carburant provenant du centre du corps d'injection 70 traverse alors les lumières 7a et 7b pour venir s'écouler dans les canaux 71c et 71 d. Un pré-mélange air-carburant de gaz frais G1 se forme par injection de carburant (flèches F1) dans le manchon 2 d'arrivée d'air comprimé (flèches Fa). Pour ce faire, le carburant sort des canaux 71c et 71 d via les fentes 72c et 72d (figure 1) pour venir se mélanger à l'air en fines gouttelettes. Dans cette phase, les valves 3 et 5 sont en position d'accès à la chambre de combustion 4 pour permettre l'admission du pré-mélange G 1 et la vidange des gaz brûlés G2. [0039] Le pré-mélange G1 pénètre dans la chambre de combustion 4 via des accès A1 , formés entre les extrémités des parois radiales de séparation 10A et 10B et les évidements 32 et 36 de la valve d'injection 3. Les gaz frais G1 chassent les gaz brûlés G2 restants du cycle de combustion précédent. Les gaz brûlés restants G2 sont ainsi évacués de la chambre de combustion 4 par des accès A2 vers la tuyère 6, qui restent formés entre les extrémités des parois radiales de séparation 10C et 10D et les pans coupés 52 et 56 de la valve d'éjection 5. Les hauteurs radiales des accès A1 et A2 varient au cours de l'admission des gaz frais G1 et l'évacuation des gaz brûlés G2 entre ouverture maximale et fermeture totale pendant les phases d'admission (figure 6a) et d'évacuation (figures 6a et 6d).
[0040] La rotation des valves 3 et 5 vient ensuite isoler la chambre de combustion 4 du manchon d'air 2 et de la tuyère 6 (figure 6b). Pour ce faire, deux faces circulaires de ces valves, respectivement 31 , 35 et 51, 55, sont alors en contact avec les extrémités des avancées radiales 10A, 10B pour la valve d'injection 3 et 10C, 10D pour la valve d'éjection 5. Simultanément, le corps 70 de l'injecteur 7 entraîné en rotation synchrone obture les canaux 71c et 71 d : l'injection de carburant est coupée. Les accès A1 et A2 sont fermés
[0041] Une partie des gaz brûlés G2 chauds et en surpression, stockés dans le réservoir d'allumage 8 lors du cycle de combustion précédent, sort alors du réservoir 8 via les canaux 8c et 8d pour réaliser l'allumage des gaz frais G1 : au contact de ces gaz chauds G2, les gaz frais G1 s'enflamment et la combustion est amorcée dans le corps de la chambre de combustion 4.
[0042] Pendant la phase de combustion proprement dite, les valves 3 et 5 - toujours en rotation synchrone - continuent à isoler la chambre de combustion 4 pour réaliser la combustion à volume constant (les accès A1 et A2 restent fermés). En fin de combustion (figure 6c), une partie des gaz brûlés G2 vient remplir le réservoir d'allumage 8 du fait de la dépression régnant dans ce réservoir par rapport à la pression du reste de la chambre de combustion 4.
[0043] En référence à la figure 6d, les faces 51 et 55 de la valve d'éjection 5 sont à distance de l'extrémité des parois respectives 10C et 10D, et les accès A2 de la chambre de combustion 4 vers la tuyère 6 sont ouverts. La valve d'éjection 5 permet ainsi l'évacuation des gaz brûlés G2 vers la tuyère 6. La valve d'injection 3 commence juste à ouvrir les accès A1 entre le manchon 2 et la chambre de combustion 4. L'injection de nouveaux gaz frais G1 après formation d'un pré-mélange air - carburant sera ensuite réalisée lorsque le corps d'injection 70 et la valve d'injection 3 auront continué à tourner selon le processus expliqué ci-dessus en regard de la figure 6a.
[0044] Le cycle de combustion des figures 6a à 6d se répète trois fois par cycle complet de rotation de chaque pan coupé 32, 34 et 36 de la valve d'injection 3 ou 52, 54 et 56 de la valve d'éjection 5, ou encore par cycle de rotation du corps d'injection de carburant 70. Pendant les durées de formation des accès A1 de chaque cycle de combustion, une même quantité de pré-mélange de gaz frais G1 est introduite dans la chambre de combustion 4, cette quantité étant prédéterminée en fonction de la géométrie et la vitesse de rotation des valves de sorte à remplir la chambre de combustion dans des conditions de pression aptes à provoquer une combustion complète des gaz.
[0045] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Il est, par exemple, possible de prévoir l'intégration de l'allumeur thermique dans les chambres de combustion de tout type de moteur thermique. De plus, l'injecteur de carburant peut également être prévu pour alimenter tout type de moteur thermique. Par ailleurs, l'architecture de séparation des différents compartiments du carter n'est pas limitée à des avancées radiales : cette séparation peut être réalisée par des avancées formées sur les valves ou par les valves elles-mêmes. En outre, les pans coupés des valves peuvent être de largeur variable et les évidements formés peuvent être de tout type de profil adapté à la fonction. [0046] Il est également possible d'implanter le réservoir d'allumage thermique hors de la chambre de combustion, en prévoyant par exemple un conduit de liaison réservoir - chambre. Par ailleurs, il est possible de monter plus d'une valve d'éjection, par exemple deux valves d'éjection d'axes parallèles dans un même plan perpendiculaire au plan médian, fonctionnant en contra-rotation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de propulsion mono-valve à injection et combustion multiples par cycle de rotation comportant, par cycle de combustion, une phase d'admission de gaz frais pré-mélangés (G1) en chambre de combustion (4), une phase de combustion proprement dite de ces gaz (G1) dans le corps de la chambre de combustion (4), et une phase d'évacuation des gaz brûlés (G2) de cette chambre de combustion (4), ce procédé étant caractérisé en ce qu'au moins trois cycles de combustion à volume constant sont réalisés par cycle de rotation complet de pans coupés multiples (32, 34, 36 ; 32', 34', 36') aptes à former des accès (A1) pour l'admission du mélange de gaz frais (G1) dans la chambre de combustion (4) pendant une durée déterminée, en ce que ces pans coupés d'injection (32, 34, 36 ; 32', 34', 36') se succèdent régulièrement à chaque cycle de combustion à volume constant par rotation autour d'un unique axe transversal (X'X), et en ce que chacun de ces pans coupés (32, 34, 36 ; 32', 34', 36') injecte sensiblement une même quantité de pré-mélange de gaz frais (G1) dans la chambre de combustion (4), cette quantité étant déterminée par la géométrie et la vitesse de rotation des conformations de sorte à établir dans la chambre de combustion (4) une pression optimale.
2. Procédé de propulsion selon la revendication 1 , dans lequel en fin de chaque cycle de combustion, un stockage (8) de préférence intégré dans la chambre de combustion (4) est effectué par prélèvement de gaz brûlés (G2) à haute pression et haute température puis, après admission de nouveaux gaz frais (G1) provenant du cycle de combustion suivant, les gaz chauds haute pression (G2) prélevés au cycle de combustion précédent se mélangent aux gaz frais (G1) basse pression par réinjection dans la chambre de combustion (4) provoquée par différence de pressions et déclenchent l'allumage des gaz frais (G 1).
3. Procédé de propulsion selon la revendication précédente, dans lequel le prélèvement de gaz brûlés (G2) est opéré via les conformations (32, 34, 36 ; 32', 34', 36') pendant des intervalles de temps où ces conformations (32, 34, 36 ; 32', 34', 36') sont tournés vers l'intérieur de la chambre de combustion (4).
4. Procédé de propulsion selon l'une des revend ications2 ou 3, dans lequel le prélèvement et la réinjection des gaz prélevés (G2) sont réalisés par deux opérations semblables avec des circulations des gaz prélevés (G2) en sens inverse.
5. Procédé de propulsion selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le stockage (8) est commun à au moins deux opérations de prélèvement puis de réinjection effectuées simultanément dans la chambre de combustion.
6. Procédé de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une injection de carburant (7) est intégrée à un flux d'air comprimé (Fa) en amont de la chambre de combustion (4) pour former le pré-mélange de gaz frais (G1) introduit dans la chambre de combustion (4) pendant la phase d'admission de chaque cycle de combustion, le carburant étant injecté dans le flux d'air (Fa) via des lumières en rotation (7a, 7b) qui débouchent périodiquement et de manière canalisée (71c, 71d) dans ledit flux (Fa) en synchronisation avec la durée de la phase d'admission.
7. Procédé de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de la phase d'évacuation des gaz brûlés (G2) de chaque cycle de combustion qui suit la phase de combustion proprement dite, l'une des multiples conformations d'éjection (52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ;
52", 54", 56") forment un accès (A2) pour l'évacuation des gaz brûlés (G2) de la chambre de combustion (4), les conformations d'éjection (52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56") se succédant régulièrement par rotation autour d'au moins un axe transversal unique (Y'Y) pour former les accès d'évacuation (A2) pendant une même durée que la formation des accès d'admission (A1) par les conformations d'injection (32, 34, 36 ; 32', 34', 36').
8. Procédé de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un refroidissement des gaz brûlés est opéré par échange thermique (9 à 11) au plus près des conformations d'éjection (52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56").
9. Procédé de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les cycles de rotations des lumières d'injection du carburant (7a, 7b) dans le flux d'air (Fa), des conformations d'injection (32, 34, 36) de pré-mélange de gaz frais (G1) dans la chambre de combustion (4) et des conformations d'évacuation (52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56") des gaz brûlés (G2) sont synchronisés de sorte qu'aucun carburant ne soit injecté dans le flux d'air (Fa) ni aucun accès d'admission (A1) à la chambre de combustion ne se forme au cours de la phase de combustion, et dans lequel les phases d'admission et d'éjection de gaz (G1 , G2) dans la chambre de combustion (4) possèdent une période de recouvrement pendant laquelle les gaz frais (G1) entrant dans la chambre de combustion (4) par les accès d'admission (A1) évacuent les gaz brûlés restants (G2) du cycle de combustion précédent par les accès d'évacuation (A2).
10. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1, l') apte à mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un carter (20) globalement parallélépipédique à parois supérieur (20s) et inférieure (20i) formant successivement, d'amont en aval, un manchon d'arrivée (2) de flux d'air comprimé (Fa), une chambre de combustion (4) et une tuyère d'évacuation de gaz (6), caractérisé en ce qu'il comporte également une unique valve d'injection (3, 15) de gaz frais (G1) dans la chambre de combustion (4) et au moins une valve d'éjection (5, 15) des gaz brûlés (G2) s'étendent autour d'axes transversaux (X'X, ΥΎ) pour séparer respectivement le manchon (2) de la chambre de combustion (4) et la chambre de combustion (4) de la tuyère (6), en ce que les valves (3, 3' ; 5, 5', 5" ; 15) sont cylindriques et présentent de multiples faces de section circulaire (31 , 33, 35 ; 51 , 53, 55 ; 15a, 15c, 15e, 15g) régulièrement réparties et séparées par des pans coupés (32, 34, 36; 32', 34', 36; 52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56" ; 15b, 15d, 15f, 15h) formant, par rotation (R1 ,R2) des valves (3, 3' ; 5, 5', 5" ; 15), des accès d'admission (A1) et d'évacuation (A2) des gaz (G1 , G2) de hauteurs périodiquement variables entre une ouverture maximale et une fermeture totale lorsque les valves (3, 3' ; 5, 5', 5" ; 15) sont entraînées en rotation synchronisée par des moyens d'entraînement (200) autour des axes transversaux (X'X, ΥΎ).
11. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , l') selon la revendication précédente, dans lequel un réservoir d'allumage thermique intégré (8) s'étend transversalement dans la chambre de combustion (4) à proximité de la valve d'injection (3) et est muni de canaux (8c, 8d) à ouvertures transversales (8e, 8f) disposés de sorte à permettre à du gaz (G2) de circuler du réservoir (8) à la chambre de combustion (4) et de la chambre de combustion (4) au réservoir (8) via les pans coupés (32, 34, 36; 32', 34', 36; 52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56" ; 15b, 15d, 15f, 15h) pendant des intervalles de temps précédant et achevant la combustion des gaz frais (G1).
12. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , l') selon l'une des revendications 10 ou 11 , dans lequel les valves (3, 5, 15) présentent au moins trois (32, 34, 36; 32', 34', 36; 52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56") et au plus quatre (15b, 15d, 15f, 15h) pans coupés et faces circulaires (31 , 33, 35 ; 51 , 53, 55 ; 15a, 15c, 15e, 15g).
13. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , l') selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel chaque pan coupé forme un évidement (32, 34, 36 ; 32', 34', 36; 52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56") globalement concave avec un fond de gorge (3F, 3F', 5F') de forme choisie entre une face plane (52, 54, 56), une face à courbure concave unique (32', 34', 36'), une face à doube courbure (52", 54", 56") et une face à deux courbures concaves jointes par une courbure convexe (32, 34, 36 ; 52', 54', 56').
14. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1, l') selon la revendication 12, dans lequel lorsque les valves d'injection et d'éjection (3, 3' ; 5, 5', 5") ont trois pans coupés (32, 34, 36 ; 32', 34', 36'; 52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56") régulièrement répartis entre trois faces circulaires (31 , 33, 35 ; 51 , 53, 55), les axes de rotation (X'X, ΥΎ) de ces valves (3, 3' ; 5, 5', 5") sont localisés respectivement dans la chambre de combustion (4) et dans la tuyère d'évacuation (6).
15. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , ') selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans lequel les pans (32, 34, 36 ; 36 ; 32', 34', 36') de la valve d'injection (3, 3') s'étendent sur une largeur sensiblement égale à celle des cordes des faces circulaires (31 , 33, 35), et les pans (52, 54, 56 ; 52', 54', 56' ; 52", 54", 56") de la valve d'éjection (5, 5', 5") s'étendent sur une largeur sensiblement supérieure à celle des cordes des faces circulaires (51 , 53, 55).
16. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , l') selon l'une des revendications 10 à 15, dans lequel un injecteur de carburant (7) est intégré dans le manchon d'arrivée (2) de flux d'air comprimé (Fa) pour former un prémélange de gaz frais (G1) à introduire dans la chambre de combustion (4) pendant la phase d'admission de chaque cycle de combustion, l'injecteur (7) comportant un corps cylindrique transversal d'injection (70) ajouré par au moins deux lumières transversales (7a, 7b) ainsi qu'une enveloppe transversale (71) enserrant partiellement le corps cylindrique d'injection (70) et formant au moins deux canaux (71c, 71 d) débouchant par des fentes transversales (72c, 72d) dans le manchon (2) de sorte que, lorsque le corps cylindrique d'injection (70) est animé d'un mouvement de rotation en synchronisation avec la rotation de la valve d'injection (3, 3') pendant la durée des phases d'admission, le carburant est injecté périodiquement dans le flux d'air (Fa) pour former un pré-mélange air-carburant de gaz frais (G1) dans le manchon (2) lorsque les lumières (7a, 7b) en rotation communiquent avec les canaux (71c, 71d) et que les accès d'admission (A1) à la chambre de combustion (4) sont formés.
17. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , 1 ') selon la revendication précédente, dans lequel l'injecteur de carburant (7) est localisé à proximité de la valve d'injection (3, 3') de sorte que le pré-mélange air- carburant de gaz frais (G1) se forme au plus près des accès d'admission (A1) à la chambre de combustion (4) tout en restant compatible avec la durée de vaporisation complète du pré-mélange.
18. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , l') selon l'une des revendications 10 à 17, caractérisé en ce qu'au moins un conduit de refroidissement (9 à 11) des gaz brûlés (G2), dans lequel circule un fluide caloporteur, est localisé au plus près de la valve d'éjection (5, 5', 5").
19. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , l') selon la revendication précédente, dans lequel le(s) conduit(s) de refroidissement est (sont) choisi(s) parmi un bouclier amont (9) localisé dans la chambre de combustion (4), un conduit (11) interne à la valve d'éjection (3, 3') et centré sur son axe de rotation (X'X) et/ou un bouclier aval (10) localisé dans la tuyère d'évacuation des gaz (6).
20. Thermoréacteur de propulsion mono-valve (1 , l') selon l'une des revendications 10 à 19, dans lequel une unité de pilotage (100) synchronise les vitesses d'entraînement de l'injecteur de carburant (7) et des valves d'admission (3, 3') et d'éjection (5, 5', 5") de sorte que l'injection de carburant dans le manche (2) est synchronisé avec la formation des accès d'admission (A1) des gaz frais (G1) par la valve d'injection (3, 3') dans la chambre de combustion (4), lesdites valves (3, 3' ; 5, 5', 5") tournant à la même vitesse de sorte que les accès d'admission et d'évacuation (A1 , A2) se ferment au même instant afin de réaliser une combustion à volume constant.
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